Jurnal Teknik Mesin Univ. Muhammadiyah Metro
URL: http://ojs.ummetro.ac.id/index.php/turbo

## PENGARUH BUKAAN GUIDE VANE TERHADAP KINERJA TURBIN PIKOHIDRO TIPE CROSS-FLOW
Mafruddin 1* , Marsuki 2
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Metro Jl. Ki Hajar Dewantara 15 A Metro, Lampung Email: mafruddin.mawon@yahoo.com 1 , marsuki123@yahoo.com 2

## Abstrak
Turbin Cross-flow merupakan salah satu jenis turbin implus yang paling umum digunakan dalam pembangkit listrik tenaga air salah satunya pembangkit listrik tenaga pikohidro. Lokasi yang dapat diaplikasikan turbin Cross-flow sebagai pembangkit listrik tenaga pikohidro yaitu di desa Sumber Agung Kecamatan Suoh Kabupaten Lampung Barat.  Salah satu faktor yang mempengaruhi  kinerja  turbin Cross-flow yaitu  bukaan guide vane .  Penelitian  ini  bertujuan untuk mengetahui pengaruh bukaan guide vane terhadap kinerja turbin Cross-flow . Metode yang digunakan dalam penelitian ini melalui 6 (enam) tahapan yaitu studi pustaka, observasi, desain turbin, pembuatan tuirbin, pengujian turbin dan analisis hasil pengujian. Variasi bukaan guide  vane yaitu  bukaan  20%,  40%,  60%  dan  80%.  Dari  hasil  penelitian  diketahui  bahwa bukaan guide vane berpengarh terhadap kinerja turbin Cross-flow . Efisiensi tertinggi turbin Cross-flow diperoleh  dengan  bukaan guide  vane 80%  yaitu  sebesar  40%,  sedangkan  untuk bukaan 60% efisiensi turbin sebesar 39%, untuk bukaan 40% efisiensi turbin sebesar 37% dan bukaan 20 efisaiensi turbin sebesar 35%.
Kata Kunci: Guide Vane , Kinerja,  Turbin Cross-flow
Pendahuluan Turbin Cross-flow merupakan  salah satu jenis turbin implus yang paling umum digunakan dalam pembangkit listrik tenaga air  seperti  pembangkit  listrik  tenaga pikohidro.  Pemilihan  ini  didasarkan  pada tingginya  efisiensi  yang  dihasilkan  turbin Cross-flow. Tingginya  efisiensi  dari  turbin Cross-flow diperoleh  karena  pemanfaatan energi  air  dilakukan  dengan  dua  tahap sehingga  menghasilkan  efisiensi  yang tinggi.
Lokasi  yang dapat diaplikasikan turbin Cross-flow sebagai  pembangkit  listrik tenaga  pikohidro  yaitu  di  desa  Sumber Agung Kecamatan Suoh Kabupaten Lampung  Barat.  Masyarakat  didaerah tersebut  masih  minim  akan  energi  listrik sedangkan  pada  daerah  tersebut  terdapat sumber  daya  air  yang  dapat  dimanfaatkan sebagai  pembangkit  listrik  tenaga  air (pikohidro).  Dimana  sumber  daya  air  yang dapat  dimanfaatkan  sebagai  pembangkit listrik  tenaga  air  memiliki  debit  rata-rata
0,003167  m 3 /s  dan  mempunyai  ketinggian 26 m.
Salah  satu  faktor  yang  mempengaruhi kinerja turbin Cross-flow yaitu bukaan guide vane . Guide vane merupakan alat pengarah pada  turbin Cross-flow yang  berfungsi mengarahkan  dan  mengatur  kapasitas  air yang masuk kedalam runner turbin.
Menurut M. Asief Rosyidin, dkk, 2012. menyimpulkan  bahwa  perubahan guide vane pada head yang  berbeda-beda berpengaruh  terhadap  unjuk  kerja  dari turbin air Cross flow [1].
Acharya,  et  al.  2015.  Melakukan penelitian  dengan  memvariasikan  sudut pengarah  ( guide vane ).  Hasil  penelitian menunjukan  bahwa  sudut  pengarah  ( guide vane )  berpengaruh  terhadap  kinerja  turbin Cross-flow [2].
Berdasarkan penelitian terdahulu diketahui  bahwa  bukaan guide vane berpengaruh terhadap kinerja turbin Cross- flow .  Maka  dari  itu  dalam  penelitian  ini akan  dilakukan  desain  dan  pembuatan turbin yang sesuai dengan sumber daya air
dan  diaplikasikan  sebagai  pembangkit listrik
skala
pikohidro dengan memvariasikan  bukaan guide  vane . Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui pengaruh  bukaan guide  vane terhadap kinerja turbin
Cross-flow . Dengan penelitian ini diharapkan
dapat meningkatkan  kinerja  turbin  yaitu  turbin dengan efisiensi yang tinggi.

## Tinjauan Pustaka
Turbin air dapat diartikan sebagai suatu mesin  penggerak  dimana  fluida  kerjanya adalah  air  [3].  Berdasarkan  prinsip  kerja turbin  (momentum  fluida  kerjanya)  dalam mengubah  energi  potensial  air  menjadi energi  mekanis,  turbin  air  diklasifikasikan menjadi  dua  kelompok  yaitu  turbin  impuls dan turbin reaksi.
Gambar 1. Diagram klasifikasi turbin air [4].
Turbin Cross-flow dibuat  pertama  kali di  Eropa.  Nama Cross-flow diambil  dari aliran  air yang melintasi kedua sudu gerak atau runner dalam  menghasilkan  putaran (rotasi).  Prinsip  kerja  turbin  ini  ditemukan oleh  seorang  insinyur  Australia  yang bernama A.G.M. Michell pada tahun 1903. Namun penemuan tersebut belum dikembangkan, sehingga pada tahun berikutnya dikembangkan dan dipatenkan di Jerman Barat oleh Prof. Donat Banki. Maka dari itu turbin ini disebut juga dengan Turbin Banki [5].
Gambar 2. Konstruksi Turbin Turbin Cross-flow [5].
Guide  vane pada  turbin Cross-flow berfungsi  untuk  mengarahkan  air  yang masuk  kedalam runner turbin  sehingga dengan bukaan Guide vane yang tepat dapat meningkatkan  kinerja  turbin. Guide  vane juga berfungsi untuk mengatur kapasitas air menuju  turbin  dengan  arah  dan  kecepatan tertentu.
Salah satu komponen utama pada turbin Cross-flow yaitu runner .
Gambar  3. Runner Turbin Cross-flow [4]
Gambar 4. Aliran Masuk Turbin Cross-flow
[6]
Pikohidro  merupakan  istilah  yang digunakan untuk pembangkit listrik dengan memanfaatkan  energi  air.  Pembangkit Listrik  Tenaga  Pikohidro  (PLTPH)  adalah suatu instalasi pembangkit listrik tenaga air skala  kecil  atau  piko  dengan  daya  listrik
yang  dihasilkan  tidak  lebih  dari  5  kW. Pembangkit listrik skala piko pada prinsipnya  memanfaatkan  beda  ketinggian dan  jumlah  debit  air  yang    ada  pada  aliran air,  baik  saluran  irigasi,  sungai  maupun  air terjun. Energi potensial yang diperoleh dari perbedaan ketinggian akan berubah menjadi energi kinetik karena terdapat penyempitan luas  penampang  pada  nosel.  Setelah  itu aliran air dari nosel akan memutar turbin dan poros  turbin  sehingga  menghasilkan  energi mekanik. Energi ini
selanjutnya menggerakkan generator
sehingga menghasilkan listrik [7].
Mockmore  dan  Merryfield    (1949). Memperkenalkan  turbin Cross-flow dan melakukan penelitian serta mengembangkan dasar  teoritis,  efisiensi  maksimal  turbin yang diperoleh yaitu 68% [8].
Olgun,  (1998)  melakukan  penelitiaan dengan  memvariasikan  rasio  diameter, bukaan gate pada  dua nozzle turbin  yang berbeda  serta  pada head yang  berbeda. Efisiensi maksimal turbin yaitu 72% [9].
Choi, et al. 2008 melakukan penelitiaan secara numerik (CFD) dengan
memvariasikan  bentuk nozzle ,  sudut  sudu runner ,  sudut inlet runner (sudut nozzle ) yaitu  25º,  30º  dan  35º,  dan  jumlah  sudu ( blade ) yaitu 15, 26 dan 30 [10].
Choi  and  Son,  2012  melakukan penelitiaan  secara  numerik  (CFD)  dengan memvariasikan  bentuk nozzle terhadap kinerja dari turbin Cross-flow [11].
Rajab Yassen, 2014 melakukan penelitian  (CFD)  untuk  mengoptimalkan kinerja turbin Cross-flow dengan memvariasikan  jumlah  sudu,  sudut  nosel, rasio  diameter  dalam  dan  diameter  luar, profil  nosel,  profil  sudu,  lebar  busur semburan nosel. Hasil penelitian menunjukkan  sifat  aliran  yang  sangat kompleks  dan  memberikan  wawasan  yang sangat  baik  untuk  parameter  optimasi struktur aliran dan kinerja turbin [12].
Acharya,  et  al.  2015  melakukan penelitian  secara  numerin  (CFD  ANSYS) dengan  memvariasikan  bentuk nozzle , mengubah sudut pengarah ( guide vane ) dan jumlah sudu ( blade ) [2].
Soenoko,  2016  melakukan  penelitian dengan  memvariasikan  sudut nozzle (30º- 75º)  dan  variasi  laju  aliran  air  terhadap kinerja  turbin Cross-flow pada  tingkat pertama.  Efisiensi  optimal  yaitu  dengan sudut nozzel 30º [13].
Langkah  pengukuran  daya  air  yang digunakan dapat diketahui dengan menggunakan persamaan-persamaan berikut.
Kecepatan aliran air di dalam pipa dapat diketahui dengan persamaan berikut [14].
𝑣 = 𝑄 𝐴 .......................(1)
Dimana: 𝑣 =  Kecepatan aliran air (m/s)
𝑄 =  Debit air yang digunakan (m 3 /s) 𝐴 =  Luas penampang Penstocks (m 2 ) Karakteristik  aliran  atau  besarnya bilangan Reynold dapat  diketahui  dengan persamaan berikut [14].
𝑅 𝑒 = 𝜌 .  𝑣 .  𝑑 𝜇 .......................(2)
Dimana:
𝑅 𝑒 =  Bilangan Reynold 𝜌 =  Massa jenis air (kg/m 3 ) 𝑣 =  Kecepatan aliran air (m/s)
𝑑 =  Diameter dalam pipa (m)
𝜇 =  Viskositas
dinamik
(N.s/m 2 ) Mayor  losses merupakan  kerugian akibat  gesekan  antara  air  dengan  dinding pipa [14].
H L (mayor) = ƒ.
𝑙 .  𝑣 2
𝑑 .  2 .  𝑔 .......................(3)
Dimana:
H L (mayor) =  Kerugian head karena gesekan (m)
𝑑 =  Diameter dalam pipa (m) 𝑙 =  Panjang pipa (m) 𝑣 =  Kecepatan aliran fluida (m/s) 𝑔 =  Percepatan gravitasi (m/s 2 ) ƒ =  Koefisien gesekan
Minor  losses merupakan  kerugian akibat adanya nosel [14].
H L (minor) = k . 𝑣 2 2 .  𝑔 ....................... (4)
Dimana:
H L (minor) =  Kerugian head (m) 𝑣 =  Kecepatan aliran fluida (m/s)
𝑔 =  Percepatan gravitasi (m/s 2 )
k =  koefisien kerugian ( loss )
Head  efektif Merupakan head bersih, dimana  faktor  gesekan  dan  belokan  pada pipa  atau nozzle sudah  dipertimbangkan dengan perhitungan [15].
H e = H – H L (mayor) – H L (minor) ..........(5) Dimana: H e = head efektif (m)
H =  Ketinggian/ head (m) H L (mayor) =  Kerugian head
karena gesekan (m)
H L (minor) =  kerugian head akibat  belokan pipa atau adanya nozzle (m) Sehingga  besarnya  daya  air  yang digunakan
dapat diketahui dengan persamaan berikut [12].
P air = ρ. 𝑔 .H e .Q.......................(6)
P air =  .H e .Q.......................(7)
Dimana:
P air ρ 𝑔
H e Q  = = = = = =
Daya air (W) Massa jenis air (kg/m 3 ) Gaya grafitasi (m/s 2 ) Head  efektif atau  ketinggian (m) Debit air (m 3 /s) Berat jenis air (N/m 3 )
Secara teoritis efisiensi maksimal turbin Cross-flow dapat  diketahui  berdasarkan sudut nosel [8, 12].
 = 1 2 . 𝐶 2 . (1 + 𝛹 ) . 𝑐𝑜𝑠 2
α 1 .............(8)
Dimana:
 =  Efisiensi turbin 𝐶 =  Koefisien kekasaran nosel (0,98)
𝛹 =  Koefisien  kekasaran  sudu  ( blade ) (0,98)
α 1 =  Sudut nosel (º)
Untuk mengetahui daya yang dihasilkan  turbin  dapat  dilakakuan  dengan pengujian menggunakan
metode
pengeraman  ( Rope  brake )  dan  untuk mengetahui daya turbin digunakan persamaan berikut [3].
T = F g . r .......................(9)
Gambar  6. Rope brake [16]
Dan kecepatan sudut yaitu [2].
ω = 2 π n 60 .......................(10)
sehingga daya turbin yaitu [2]
P t =  T . ω ....................... (11) Dimana: P t =  Daya yang dihasilkan turbin (W)
T =  Torsi yang dihasilkan turbin (Nm)
F g =  Selisih  gaya  tarik  dan  tekan  pada putaran tertentu (N)
F g =  F ta – F te atau F 1 - F 2 (N)
r =  Jari-jari puli pada runner turbin (m) ω  =  Kecepatan sudut runner (rad/s)
n =  Putaran turbin (rpm)
Efisiensi Mekanik Turbin (η t ) [2].
η t = P 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛 𝑃 𝑎𝑖𝑟 ....................... (12)
Dimana: η t = Efisiensi mekanik turbin
P air = Daya air (W)
P turbin = Daya turbin (W)

## Metode Penelitian
Lokasi  pengujian  turbin  dilakukan  di desa  Sumber  Agung  Kecamatan  Suoh Kabupaten Lampung Barat.
Penelitian ini dilakukan dengan metode eksperimen nyata ( true experimental research ).  Metode  eksperimen  meliputi tahap perencanaan, membuat turbin, sampai dengan mengujian kinerja turbin.
Langkah penelitian meliputi:
1. Studi pustaka
2. Observasi Dari  hasil  pengukuran  diperoleh  data sebagai berikut:
a. Debit air (Q) b. Head c. Panjang pipa =
= = 0,00316 m 3 /s 26 m
52 m
3. Desain turbin
4. Pembuatan turbin
5. Pengujian turbin
6. Analisis hasil eksperimen
Spesifikasi  turbin  yang  dilakukan pengujian  yaitu  seperti  pada  Tabel  1. berikut.
Tabel 1. Spesifikasi turbin Cross-flow Parameter Nilai Diameter luar (m) 0,145 m Diameter dalam (m) 0,097 m Lebar sudu (m) 0,0508 m Jarak antar sudu (m) 0,025 m Jari-jari sudu (m) 0,023 m Jumlah sudu 18 sudu Tebal nozzle (m) 0,0184 m Diameter penstok (m) 0,0508 m
Variasi  bukaan guide  vane turbin dijelaskan pada gambar berikut.
Gambar 7. Komponen turbin
Komponen guide  vane turbin Cross- flow dijelaskan seperti gambar berikut.
Gambar 8. Komponen guide vane
Variasi bukaan guide vane dijelaskan dalam gambar berikut.
Gambar 9. Variasi bukaan guide vane

## Hasil dan Pembahasan
Dari  hasil  pengujian  pengaruh  bukaan guide  vane terhadap  kinerja  turbin Cross- flow diperoleh efisiensi turbin yaitu sebagai berikut.
Gambar 10. Efisiensi turbin
Dari  Gambar  10.    dapat  diketahui bahwa  bukaan guide  vane berpengaruh terhadap kinerja turbin Cross-flow .  Dimana efisiensi tertinggi  diperoleh dengan bukaan guide  vane 80%  yaitu  sebesar  40% sedangkan untuk bukaan yang lebih rendah menghasilkan  efisiensi  yang  rendah  yaitu 39%  untuk  bukaan guide  vane 60%,  37% untuk  bukaan guide  vane 40%  dan  35% untuk bukaan guide vane 20%.

## Kesimpulan
Dari  hasil  penelitian  yang  telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa bukaan guide  vane berpegaruh  terhadap  kinerja turbin.  Efisiensi  turbin  tertinggi  sebesar 40%  diperoleh  dengan  bukaan guide  vane 80%.  Bukaan guide  vane semakin  kecil maka efisiensi turbin semakin menurun.

## Daftar Pustaka
[1]. Rosyidin,  M.  A.,  Sutikno,  D  dan Sugiarto. 2012. Pengaruh Bukaan  Guide  Vane  Terhadap Unjuk  Kerja  Turbin  Cross  Flow Tipe C4-20 Pada Instalasi PLTMH  Andung  Biru. Jurnal Teknik Mesin.
[2]. Acharya, N., Kim C.G., Thapa, B., and Lee,  Y.H.,  2015.  Numerical analysis and performance enhancement  of  a  cross-flow hydro turbine. Renewable Energy xxx  1-8.
[3]. Arismunandar,  W.  2004. Penggerak Mula Turbin . ITB. Bandung.
[4]. Elbatran  A.H.,  Yaakob,  O.B.,  Ahmed, Y.M., and Shabara, H.M., 2015. Operation, performance and economic  analysis  of  low  head micro-hydropower  turbines  for rural and remote areas. Renewable and Sustainable
Energy Reviews 43  40–50.
[5]. Dietzel,  F.,  dan  Sriyono,  D.  1993. Turbin  Pompa  Dan  Kompresor . Erlangga. Jakarta.
[6]. Loots,  I.,  Dijk,  M.V.,  Barta,  B., Vuuren,  S.J.V.,  and  Bhagwn, J.N., 2015. A review of low head hydropower  technologies  and applications  in  a  South  African context.
Renewable and Sustainable Energy  Reviews  50 1254–1268.
[7]. Setiadi,  Y.,  Soesilo,  E.,  &  Septe,  E. (2015). Perancangan Pico Hydro
Portable Type Kincir Air Sebagai Pembangkit Energi Listrik. Abstract Of Undergraduate Research, Faculty Of Industrial Technology, Bung Hatta University , 5 (1).
[8]. Mockmor,  C.A.  and  Merryfield,  F. 1984.    “The  Banki  Water Turbin”, Oregon  State  College , Bulletin Series, No.25.
[9]. Olgun,  H.  1998.  Investigation  of  the performance  of  a  cross-flow turbine. International journal  of energy research, (22,953-964).
[10]. Choi,  Y.D.,  Lim,  J.I.,  Kim,  Y.T.,  and Lee,  Y.H.,  2008.  Performance and  internal  flow  characteristics of a cross-flow hydro turbine by the  shapes  of  nozzle  and  runner blade. Journal  of  fluid  science and technology (Vol. 3 No. 3)
[11]. Choi,  Y.D.,  and  Son,  S.W.,  2012. Shape  effect  of  inlet  nozzle  and draft  tube  on  the  performance and    intenal  flow  of  cross-flow
0 10 20 30 40 50 Bukaan 20% Bukaan 40% Bukaan 60% Bukaan 80% Efisi e n si Tu rb in ( % )
hydro  turbine. Journal  of  the korean society of marine
engineering Vol. 36. No 3 (351- 357).
[12]. Rajab  Yassen,  S.  2014.  “Optimization of  the  Performance  of  Micro Hydro-Turbines  for  Electricity
Generation”. The  programme  of research  was  carried  out  in  the School of Engineering & Technology , University of Hertfordshire, Hatfield, UK.
[13]. Soenoko,  R.  2016.  First  Stage  Cross Flow Turbine Performance.
International Journal of Applied
Engineering  Research .  ISSN 0973-4562  Volume  11,  Number
2  pp  938-943.  Research  India Publications.
[14]. Munson,  Bruce  R.,  Okiishi,  Theodore H.,  Huebsch,  Wade  W.,  and
Rothmayer,  Alric  P.,  2013. Fundamentals of Fluid
Mechanics . Edisi 7.
[15]. Abdul Nasir, B. 2014. Design
Considerating  Of  Micro-Hidro- Electrik  Power  Plant. Energy procedia 50 19-29 .
[16]. Tohari M. dan Ibrahim Lubis H . 2015.
Pengujian  Unjuk  Kerja  Turbin Crossflow  Skala  Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 20. Jurnal Teknik Mesin.